量子计算公司Quantinuum近期宣布首次实现重大突破，其计算机能够以误差补偿方式运行所有必要操作，解决以往棘手的计算难题。
因量子比特高度不稳定，当前最先进的量子计算机通常每进行1000次操作就会发生约1次误差。相反，量子计算的许多实际应用场景往往要求误差率降低到目前的十亿分之一甚至更低。
为了跨越当前“有噪声、中等规模”的量子计算时代，科学家试图将量子信息分散到许多冗余的量子比特中以抵消高误差率。这些量子纠错策略可帮助量子计算机检测并修正错误。在该方案中，一组“物理”量子比特共同构成了一个低误差的“逻辑”量子比特，成为了容错量子计算机的基础。
量子纠错编码运行后，量子计算机便能将逻辑量子比特互连，执行称为“量子门”的基本操作。量子门分为两类：传统计算机可模拟的克利福德门，以及传统计算机无法模拟的非克利福德门。
理论上，能运行两种量子门的通用量子计算机可执行远超传统超级计算机能力的运算。然而Quantinuum公司指出，尽管已有团队通过量子纠错执行了量子门操作，但这些尝试的误差率接近10%，对于实际应用来说仍然太高。
此外，非克利福德门需要“魔态”配置，该配置具备可加速量子计算的量子特性。以往的研究虽然找到了通过噪声量子比特制备魔态的方法，但Quantinuum公司的物理学家希瓦尔·达苏（Shival Dasu）指出，制备可用魔态所需的量子比特数量“极其庞大”。
达苏说，最近的研究表明，“一些量子纠错码的开销下降速度明显比其他方案更快。我们成功设计了一套非常高效的魔态生产协议。”
在一项新研究中，达苏及其同事使用Quantinuum的H1-1处理器，仅通过8个物理量子比特就制备出2个魔态（H1-1处理器搭载20个电陷俘的镱离子量子比特）。随后，他们执行了双量子比特非克利福德门，逻辑误差率约为每5000次操作1次错误。
“这是首次使用通用量子门集运行量子电路，并证明编码后的精度高于未编码状态。”达苏表示。
低逻辑误差率得益于Quantinuum在底层魔态制备上的突破，科学家以每10万次操作仅7次错误的故障率制备这些量子态，效率约为以往报道效率的10倍。
模拟结果为进一步降低误差率提供了可行方案：Quantinuum计算机的大规模应用版本可实现每百亿次操作仅1次错误，硬件改进版本甚至实现了每百万亿次操作1次错误。“模拟表明，我们可以使用大约40个物理量子比特制备一个超高保真度的魔态量子比特，”达苏说，“这种资源开销相当合理。”
Quantinuum计算设计与理论总监戴维·海斯（David Hayes）表示：“我所了解的是，以往最先进的方案制备魔态所需的量子比特数量要多出约10倍。”
在另一项实验中，Quantinuum研究人员与合作伙伴将量子处理器从一种量子纠错编码切换为另一种。“这样做的一个原因是，某些量子门在某类编码中的实现难度高于其他编码，”海斯说，“编码切换的核心理念是在不同的编码间来回切换，以执行它们各自擅长的量子门操作。”
这种编码切换并不适用于所有编码和量子计算架构。“我们架构的特殊性在于量子比特间具有全互联（All-to-All）特性。”海斯指出，“可以设想两种编码，一种要求量子比特呈二维几何排列，一种要求量子比特呈三维几何排列。如果你的量子比特被锁定在一个平面中，编码切换就无法实现。但使用我们的架构能实现。”
在使用Quantinuum H2-1处理器（搭载56个电陷俘镱离子量子比特）的实验中，研究人员展示了他们可以成功在两种编码间切换，一种擅长高效制备魔态，另一种在执行量子门操作方面表现更好。
Quantinuum表示，这些新发现标志着公司在2029年前实现可扩展通用容错量子计算机的目标取得关键进展。“量子纠错技术成熟后，可以大幅提升量子比特间的连接。”海斯表示，“单个芯片最终能将多少离子连接在一起？或许是数千个量子比特，或许是数十万个。我们正在与晶圆厂洽谈开发更大尺寸的芯片以容纳更多量子比特。”
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